ZASTOSOWANIE DŁAWIKÓW W ENERGOELEKTRONICE
advertisement
ZASTOSOWANIE DŁAWIKÓW W ENERGOELEKTRONICE ZAPRASZAMY NA NASZE STRONY INTERNETOWE: ul. Dąbrowskiego 441, 60-451 Poznań, tel. (061) 848 88 71, faks (061) 848 82 76, e-mail: [email protected] SPIS TREŚCI: 1. Wstęp...........................................................................................................3 2. Co to jest dławik sieciowy?........................................................................3 2.1 Konstrukcja...........................................................................................4 2.2 Parametry..............................................................................................4 2.3 Sposób działania dławika......................................................................5 3. Zastosowanie w napędach o regulowanej prędkości obrotowej (VSD) 3.1 Bezpieczeństwo.....................................................................................6 3.2 Przegląd możliwości zastosowania........................................................6 3.3 Wejście układu.......................................................................................7 3.3.1 Tłumienie harmonicznych..........................................................7 3.3.2 Komutacyjne zapady napięcia.................................................10 3.3.3 Problemy z prostownikiem i kondensatorem...........................12 3.3.4 Niepożądane załączenia.....................................................13 3.4 Obwód pośredni DC-Link.......................................................................14 3.5 Wyjście silnika........................................................................................14 3.5.1 Duże stromości napięcia..........................................................15 3.5.2 Hałas z silnika..........................................................................15 3.5.3 Zabezpieczenie przed zwarciem..............................................15 4. Inne zastosowania.......................................................................................16 4.1 Czy dławik może ograniczyć emisję RF?................................................16 4.2 Dławik sieciowy a transformator separujący............................................17 5. Podsumowanie – koszty i zyski..................................................................17 2 Dławiki sieciowe są potężną bronią w walce o dobrą jakość sieci zasilającej. Elementy te są stosowanie w aplikacjach napędowych i innych do redukcji harmonicznych oraz komutacyjnych zapadów napięcia i zwiększenia niezawodności całego układu napędowego oraz ochrony zarówno urządzeń jaki sieci zasilającej przed zjawiskiem zakłóceń niskiej częstotliwości. Dokument ten opisuje parametry techniczne dławików, ich zastosowanie i płynące z tego korzyści dla integratora systemu lub obsługi. 1 Wstęp Dokument ten przedstawia pełną ofertę dławików firmy Schaffner i opisuje zalety jakie można dzięki nim uzyskać. Jakość energii zasilającej jest tematem, który odgrywa coraz większą rolę w energetyce, ponieważ dostawca energii ma prawny nakaz dostarczenia klientowi energii o ściśle określonych parametrach takich jak zawartość harmonicznych, amplituda napięcia, częstotliwość itd. By to osiągnąć należy ograniczyć oddawanie do sieci zakłóceń generowanych przez różne rodzaje urządzeń podłączonych do sieci, szczególnie tych, które pobierają odkształcony prąd z sieci. Jedną z najprostszych lecz skutecznych metod ograniczenia zakłóceń oddawanych do sieci i jednocześnie ochrony urządzeń przed zakłóceniami niskiej częstotliwości są dławiki sieciowe. Firma Schaffner jest doskonale znana z produkcji filtrów sieciowych EMI, które mogą być również włączone na wejście urządzeń generujących zakłócenia RF (o częstotliwościach radiowych). Dławiki sieciowe są uzupełnieniem oferty filtrów. Schaffner może kompleksowo zabezpieczyć wejścia urządzeń oferując filtr RFI i dławik sieciowy. 2 Co to jest dławik sieciowy? Pojęcie dławik sieciowy (ang. line reactor) jest niesłusznie kojarzony z dowolnym elementem indukcyjnym używanym w urządzeniu zasilanym z sieci. W rzeczywistości element ten może być używany dla różnych celów, niekoniecznie tylko na wejściu urządzeń lub całych systemów. W poniższych podpunktach opisane zostaną różnorodne zastosowania. Dławiki opisane w tej broszurce są konstruowane w następujący sposób: 2.1 Konstrukcja Dławiki trójfazowe firmy Schaffner (RWK 212, RWK 213) są zbudowane z warstwowego rdzenia z żelaza, bardzo podobnego do rdzenia transformatorów sieciowych. Połączenia przewodów za pomocą złączek śrubowych, a dla dużych mocy za pomocą miedzianej szyny. Dławiki są wykonane w postaci niezabudowanej (bez obudowy) co jest najczęściej spotykanym i najbardziej ekonomicznym 3 rozwiązaniem dla różnorodnych aplikacji. W celu ograniczenia słyszalnego buczenia cewki dławika są pokryte specjalnym impregnatem. Zdjęcie 1: Dławik RWK 212 firmy Schaffner 2.2 Parametry Elementy są skatalogowane po prądzie znamionowym oraz indukcyjności. Dwa najbardziej popularne parametry w zastosowaniach napędowych to 4% Uk i 2% Uk. Parametr Uk jest często nazywany poprzez analogię z teorią transformatorów „napięciem zwarcia”. Definiujemy to napięcie jako spadek napięcia na dławiku przy znamionowym prądzie i częstotliwości wyrażony jako procent wartości znamionowej napięcia. W Europie napięcie przewodowe układach trójfazowych wynosi 400VAC a częstotliwość 50Hz. Jeśli obciążenie pobiera dokładnie taki prąd jak prąd znamionowy dławika, wówczas wartość 2% lub 4% wyraża procent impedancji obciążenia. Sumaryczny spadek napięcia wynika ze spadku na części rezystancyjnej i indukcyjnej, ale dławiki są tak projektowane, że dominujący jest spadek na indukcyjności i dlatego spadek napięcia można bezpośrednio powiązać z indukcyjnością przy 50Hz. Przykład: Przykładowy dławik Schaffner o prądzie 60A ma indukcyjność 0,49mH. Przy 50Hz stanowi on impedancję 0,154Ω, co przy przepływie prądu 60A powoduje spadek napięcia 9,2V. Dla sieci trójfazowej 400V stanowi to poziom 3 ⋅ 9,2 / 400 = 4% . 4 2.3 Sposób działania dławika By w pełni zrozumieć korzyści płynące z zastosowania elementu indukcyjnego musimy zrozumieć jego wpływ na obwód mocy. Ilekroć prąd płynący przez indukcyjność zmienia się, indukuje napięcie na zaciskach cewki zgodnie z równaniem: di U= −L dt W ten sposób napięcie w obwodzie jest redukowane, więc również di/dt. Alternatywnie, gdy obciążenie powoduje skoki napięcia, wówczas indukcyjność ogranicza di/dt. Proces przełączania napięcia Stałe di/dt dla L Rysunek 1: Schemat indukcyjny 3 Zastosowanie w napędach o regulowanej prędkości obrotowej (VSD) Jednym z najczęściej spotykanych aplikacji dla dławików są układy napędowe z regulowaną prędkością obrotową (VSD, Variable Speed Drives). Układy te charakteryzują się mocą od 1kW do więcej niż 100kW i zdobywają coraz większą popularność ze względu na dużą sprawność i łatwość sterowania. Poniżej opisane zostało zastosowanie dławików w układach napędowych, ale nie jest to ich jedyny obszar zastosowań. 3.1 Bezpieczeństwo Producenci współczesnych układów VSD działają na bardzo konkurencyjnym rynku i widoczna jest tendencja nie stosowania dławików w celu redukcji kosztów (chyba że tego zażyczy sobie końcowy klient). Z drugiej strony użytkownicy często nie są świadomi powodów dlaczego stosowanie dławików jest korzystne zarówno dla niezawodności elektroniki układu jak i jakości energii. 5 Aspekty na które ma wpływ zastosowanie dławika to: • Oddzielenie układów elektronicznych od szybkich impulsów przejściowych przychodzących od strony sieci będących skutkiem procesów przełączalnych w sieci. • Zapobiega dużym prądom startowym i redukuje przeciążenia elementów wejściowych • Poprawia współczynnik kształtu układu VSD co w konsekwencji zmniejsza straty mocy po stronie wejściowej • Ogranicza emisję do sieci zasilającej wyższych harmonicznych powstających w wejściowym układzie prostownika • Ogranicza komutacyjne zapady napięcia • Zabezpiecza i zwiększa żywotność kondensatora w obwodzie pośredniczącym (DC-link) w układach VSD • Redukuje symetryczne zakłócenia niskich częstotliwości aż do kilku setek kHz Każdy z aspektów jest poniżej szczegółowo opisany. 3.2 Przegląd możliwości zastosowania Dławiki i filtry mogą być podłączone w różnych miejscach w układzie napędowym: na wejściu linii zasilającej (dławik sieciowy), w obwodzie pośredniczącym pomiędzy prostownikiem a kondensatorem (dławik DC-link) lub między falownikiem a silnikiem (dławik silnikowy). Dławik we wszystkich wymienionych miejscach zastosowania daje pewne efekty i niekoniecznie muszą się wykluczać. Generalnie byłoby niepotrzebne posiadanie dławika na wejściu i w DClink, ale funkcja dławika wejściowego jest zupełnie inna i dlatego uzasadnione jest używanie obu. Dławik sieciowy Sieć Sieć Filtr sieciowy (Filtr harmoniczny) Zasilanie silnika Wyjściowy dławik/filtr (dławik dv/dt filtr dv/dt,filtr sinusoidalny) Silnik Dławik DC Rysunek 2: System sterowania silnika wraz z dławikami 6 3.3 Wejście układu Dławik na wejściu urządzenia zasilającego robi dwie rzeczy: zabezpiecza elektronikę urządzenia przed zakłóceniami pochodzącymi z sieci i zabezpiecza sieć zasilającą przed zaburzeniami wytwarzanymi przez urządzenie. 3.3.1 Tłumienie harmonicznych Trójfazowy prostownik z kondensatorem magazynującym energię pobiera z sieci prąd impulsowy. Gdy napięcie wejściowe na dowolnej parze diod jest większe niż napięcie na kondensatorze pośredniczącym (DC-link), wówczas płynie prąd i ładuje kondensator. Gdy napięcie wejściowe jest mniejsze niż napięcie DC-link, diody blokują przepływ prądu i kondensator pośredniczący DC-link nie jest ładowany. Powoduje to pobór prądu z sieci w kształcie dwóch impulsów w każdej fazie których suma na DC-link daje serię sześciu unipolarnych impulsów na okres (300Hz w Europie) Warunki : Napięcie zasilania 400 V Impedancja zródła: 0,15 Ω Pojemność : 2500 µF Prąd fazy bez cewki indukcyjnej Impedancja obciążenia i moc : 20Ω/14,28 kW Dławik : 0,84 mH Charakterystyka pokazuje prąd wyjściowy dławika sieciowego Rysunek 3: Pulsacje wejściowe 3-fazowego prostownika (6- pulsów) Nieciągły prąd fazowy zawiera bardzo dużo harmonicznych 50Hz. Współczynnik odkształcenia THD wynosi około 90-150% z dominacją harmonicznych rzędu 5, 7, 11 i 17. Harmoniczne powodują następujące problemy w sieci, a zatem również dla innych urządzeń: • Transformatory i przewody neutralne przegrzewają się z powodu nadmiernych prądów składowej zerowej (zero-phase) • Przegrzewanie kondensatorów odpowiedzialnych za poprawę współczynnika mocy z powodu prądów wysokiej częstotliwości 7 • • • • • Straty w przewodnikach wynikające ze zjawiska naskórkowości przy wysokich częstotliwościach Odkształcenia napięcia w odległych punktach sieci zasilającej spowodowane rezonansami. Awarię silników indukcyjnych podłączonych bezpośrednio do sieci z powodu pracy przy harmonicznych Zakłócenia o częstotliwościach akustycznych (dźwiękowe i elektryczne) Zwiększony prąd upływu do ziemi z powodu pojemności pasożytniczych oraz pojemności w filtrach EMI Elektrowniom bardzo zależy na zredukowaniu powyższych problemów. W Europie obowiązkowe jest dostarczanie energii o odpowiedniej jakości, a można tego dokonać jedynie wtedy, gdy zakłócenia pochodzące od użytkowników będą pod pełną kontrolą. Nałożono dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych do sieci, które są szczegółowo określone w normie międzynarodowej IEC61000-3-2 dla urządzeń o prądzie <16A na fazę oraz IEC-3-12 (projekt) dla urządzeń o prądzie w zakresie od 16A do 75A na fazę. W Stanach zjednoczonych dopuszczalne poziomy harmonicznych określa norma IEEE519. By spełnić te wymagania obwód wejściowy trójfazowego prostownika z elementem gromadzącym energię musi być wyposażony w szeregową indukcyjność. Funkcję indukcyjności spełnia właśnie dławik sieciowy. Dławik sieciowy ogranicza stromość narastania każdego impulsu prądu pobieranego z sieci i sprawia, że prąd płynie jeszcze przez milisekundę lub dwie po tym jak napięcie spadnie poniżej napięcia na DC-link. Wówczas sześcio-pulsowy przebieg napięcia jest wygładzony i przy odpowiednio dużej indukcyjności staje się ciągły, a nie przerywany. Warunki : Napięcie zasilania 400 V Impedancja zródła: 0,15 Ω Pojemność : 2500 µF Prąd fazy z cewką indukcyjną Impedancja obciążenia i moc : 20Ω/14,28 kW Dławik : 0,84 mH Charakterystyka pokazuje prąd wyjściowy na linii dławika Rysunek 4: Wyprostowany prąd wejściowy z dławikiem 8 W tym samym czasie wartość szczytowa prądu maleje. Oznacza to, że współczynnik kształtu (ang. crest factor) przebiegu również maleje zatem stosunek wartości szczytowej do skutecznej jest mały. Ma to wiele zalet włączając w to mniejsze narażenia kondensatora gromadzącego energię i większą niezawodność. Tłumienie harmonicznych jest bezpośrednio powiązane z wartością indukcyjności w obwodzie. Ponieważ dławiki Schaffner są uszeregowane jako procentowy spadek napięcia, możemy powiązać te spadki napięcia z redukcją harmonicznych jak w tabeli 1. Jak można zauważyć, dławik 4% daje znacznie lepsze tłumienie harmonicznych niż 2% ale kosztem większego spadku napięcia oraz wymiarów dławika. Numer Impedancja wejściowa (Uk) a pozostałe harmoniczne harmonicznej 0,5% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10% 5-ta 80 60 46 40 34 32 30 28 26 24 23 7-ma 60 37 22 16 13 12 12 10 9 8,3 7,5 11-ta 18 12 9 7,3 6,3 5,8 5,8 5 4,3 4,2 4 13-ta 10 7,5 5,8 4,9 4,2 3,9 3,9 3,3 3,15 3 2,8 17-ta 7,3 5,2 3,6 3 2,4 2,2 2,2 0,9 0,7 0,5 0,4 19-ta 6 7,2 2,8 2,2 2 0,8 0,8 0,4 0,3 0,25 0,2 % THD-I 102,5 7 52,3 44,1 37,3 34,9 34,9 30,3 28,0 25,9 24,6 2,2 3 1 6 6 5 4 2 8 Tabela 1 Decyzja o wyborze wyższej lub niższej impedancji dławika jest zawsze w kontekście konkretnej aplikacji, potrzeby redukcji harmonicznych i maksymalnego dopuszczalnego spadku napięcia na wejściu zasilania. 3.3.2 Komutacyjne zapady napięcia Niektóre urządzenia VSD (np. falowniki prądu) mają szczególnie niepożądany efekt na zasilanie. W przetwornicach z komutacją prąd obciążenia jest przełączany z jednej gałęzi do kolejnej. W chwili przejmowania prądu przez kolejną gałąź ma miejsce krótkotrwałe zwarcie zasilania. Prąd płynący w chwili komutacji jest ograniczany jedynie przez rezystancję klucza i impedancję sieci, nie przez obciążenie. 9 Obciążenie Dławik komutacyjny ograniczający prąd zwarcia Rysunek 5 :Zjawisko komutacji W celu zabezpieczenia kluczy, pewna reaktancja w obwodzie zasilania jest niezbędna i jest to rola dławika komutacyjnego, który jest dostarczany jako część systemu. Jednakże dławik komutacyjny nie jest zaprojektowany do celów ochrony samej sieci. Gdy impedancja sieci jest znaczną częścią impedancji tego dławika komutacyjnego, wówczas chwilowe zwarcia powodują zapady komutacyjne w napięciu zasilającym. Głębokość tych zapadów w zależności od stosunku impedancji źródła do impedancji dławika komutacyjnego przy założeniu, że klucze stanowią zwarcie. Pomimo że te zapady nie mają poważnego wpływu na pracę przekształtnika, to mogą powodować niepoprawną pracę innych urządzeń podłączonych do tej samej sieci zasilającej. Możliwe jest na przykład przy zapadach napięcia fałszywa sygnalizacja przejścia przez zero. Rysunek 6: Przykłady komutacji Tak więc w tym przypadku celem stosowania dławika sieciowego jest włączenie szeregowe na wejściu urządzenia w celu zabezpieczenia układu zasilania urządzenia i zredukowania amplitudy zapadów napięcia. Amplituda zapadów jest teraz funkcją impedancji sieci i całkowitej indukcyjności (linia i dławiki komutacyjne) jak również czasu komutacji. 10 Linia dławika Komutacja dławika Rysunek 7 : Dodanie dławika Głębokość zapadu % = ZC / (ZC + ZD) Gdzie: ZC jest impedancją sieci zasilającej w punkcie przyłączenia (z założenia bierna) oraz ZD jest odsprzężoną reaktancją pomiędzy punktem przyłączenia a zaciskami przetwornicy (linia plus dławik komutacyjny) Jako drugi efekt prąd zwarcia jest ograniczany wraz ze wzrostem dławika sieciowego, zatem jest to jak najbardziej pożądane dla zwiększenia niezawodności elementów półprzewodnikowych i innych elementów. Zharmonizowana norma dla układów napędowych o regulowanej prędkości EN 61800-3 zaleca maksymalne zapady napięcia na poziomie 20% dla środowisk domowych i 40% dla innych środowisk i mówi (szukaj w dodatku B1 do tej normy) Tam gdzie są możliwe zapady napięcia, producent powinien dostarczyć następujących informacji użytkownikom: • Wartości każdej odsprzężonej reaktancji, które są dołączone do układu napędowego. • Dostępne odsprzężone reaktancje, które mogą być zewnętrznie dodane w celu łagodzenia. 3.3.3 Problemy z prostownikiem i kondensatorem Gdy podłączymy zasilanie do urządzenia, ładowany jest kondensator DC-link. Jeżeli nie przyłożymy napięcia w punkcie przejścia przez zero lub nie użyjemy obwodu soft-startu, natychmiast popłynie duży prąd przez czas kilku milisekund na czas ładowania kondensatora. Ten prąd rozruchowy jest ograniczony jedynie impedancją sieci i zazwyczaj ma wartość kilka razy większą niż prąd AC w stanie ustalonym. 11 Prostownik jest zazwyczaj w stanie wytrzymać przejściowy prąd startowy (np. 40 amperowy 40HF80 ma prąd IFSM=570A) ale gdy nie ma dodatkowej impedancji w sieci należy mieć nadzieję, że ten graniczny prąd nie zostanie osiągnięty. Dławik sieciowy pomiędzy innymi zaletami zapewnia tę impedancję. Jako przykład, załóżmy że załączamy napięcie blisko wartości szczytowej przebiegu 400V z 0,84mH dławikiem RWK 212-35-KL (35A, 4%) włączonym do sieci. Początkowe di/dt wynosi V/L=565/0,84=673A/ms i wartość szczytowa prądu jest ograniczona do około 600A (zobacz rys. 8). Bez tej impedancji i jeżeli całkowita impedancja wejściowa wynosi np. 0,2Ω, wówczas impuls prądu przy starcie może wynieść ponad 2000A przez kilkadziesiąt ms. Ponieważ cewka przewodzi prąd po wystąpieniu wartości szczytowej napięcia, napięcie DC-link może osiągnąć ściśle określoną wartość, którą można dokładnie określić poprzez stosunek indukcyjności i pojemności pośredniczącej. Warunki: Zasilanie Z= 0,2 Ω Pojemność linii DC 1000 µF Załączenie z cewką indukcyjną Obciążenie 20 Ω Cewka indukcyjna 0,84 mH Załączenie bez cewki indukcyjnej Wratość szczytowa prądu >2000 A Rysunek 8: Nagły wzrost prądu wraz z dławikiem 3.3.4 Niepożądane załączenia Prąd startowy (rozruchowy) nie jest jedyną rzeczą którą steruje dławik sieciowy: również znacząco obniża amplitudę udarów pochodzących z sieci. Mogą one być spowodowane wyładowaniami atmosferycznymi lub, co jest częstsze, z powodu przełączania kondensatorów. Baterie kondensatorów są używane w energetyce do poprawy współczynnika mocy i kontroli napięcia w dystrybucji energii. 12 W zależności od warunków obciążenia, kondensatory są załączane i wyłączane dziennie, tygodniowo lub sezonowo w zależności od potrzeb. Włączenie baterii kondensatorów powoduje chwilowe zwarcie w czasie którego energia sieci zasilającej jest używana do ładowania kondensatora. Objawia się to nagłym spadkiem napięcia i związanym z tym oscylacjami napięcia i częstotliwości zależnymi od konfiguracji obwodu. typowa amplituda przepięć wynosi 1,2 do 1,6 razy znamionowe napięcie z częstotliwością oscylacji 400 do 600Hz. Podczas zjawiska przepięcia, kondensator pośredniczący w układzie VSD przechodzi w tryb off-line wskazując błąd przepięcia lub w niektórych przypadkach nawet uszkodzenie układu prostownika wejściowego. Najczęściej te przepięcia pojawiają się o określonej porze dnia, często wcześnie rano gdy załączane są baterie kondensatorów w odpowiedzi na duże zapotrzebowanie mocy. Dla niektórych układów VSD przepięcia będą powiązane z przełączaniem silników dużej mocy i kondensatorów poprawiających współczynnik mocy w obrębie tej samej elektrowni. Mniejsze układy VSD oraz słabo obciążone układy VSD są bardziej wrażliwe na przepięcia powodowane przez przełączanie kondensatorów. Dławiki obniżają skutki stanów przejściowych wynikłych z przełączania kondensatorów w układach VSD w dwojaki sposób. Po pierwsze impedancja dławika dostarcza spadek napięcia który redukuje napięcie na DC-link co zapewnia większy margines bezpieczeństwa przy przepięciach. Po drugie, dławik ogranicza amplitudę i stromość impulsów prądowych ładujących kondensator. W większości przypadków dławik 4% jest wystarczający, ale jeśli stany przejściowe napięcia pojawią się w chwili gdy układ VSD jest w stanie bezczynności, wówczas być może nawet dławik nie rozwiąże problemu, szczególnie dla napędów małej mocy poniżej 5hp (3,6 KW). W stanie spoczynku VSD pobiera bardzo mały prąd z sieci i nadwyżka energii po stronie sieci nie może być przeniesiona do obciążenia silnika. Urządzenia przepięciowe (SPD= surge protection devices) mogą próbować usiłować zabezpieczyć przed przepięciami i ochronić wejściowy układ prostownika, ale ich zdolność tłumienia przepięć jest większa niż przepięcia wynikające z przełączeń. 13 3.4 DC-Link Wiele z zalet dławika włączonego na wejście urządzenia można poprawić jeśli dławik jest włączony szeregowo z DC-Link. Takie umiejscowienie dławika eliminuje również emisję harmonicznych, ogranicza prąd rozruchowy (startowy) i obniża niepożądane załączenia spowodowane przepięciami wynikającymi z przełączania kondensatorów. jednakże nie zabezpiecza wtedy obwodu prostownika wejściowego przed przepięciami przychodzącymi od strony sieci zasilającej. Dławik DC-link potrzebuje tylko dwóch uzwojeń w porównaniu z trójfazowym dławikiem sieciowym. Jednakże uzwojenia te muszą być zaprojektowane na większy prąd znamionowy, co skutkuje również wzrostem gabarytów. Zatem nic się nie zyskuje, ponieważ indukcyjność musi być wytworzona przez większe uzwojenie. Gdy układ VSD zawiera już odpowiedni dławik DC-link to mało zyskujemy dodając dławik sieciowy. Gdy jednak układ VSD nie posiada dławika DC-link wówczas przyłączenie dławika sieciowego do zacisków wejściowych jest najprostsze i daje dużo zalet. 3.5 Wyjście silnika Chociaż ta broszurka traktuje głównie o zastosowaniu dławików sieciowych, to warto krótko opisać poniżej zalety dławików wyjściowych. Szczegóły dotyczące dławików i filtrów wyjściowych zostały opisane w innej broszurce. 3.5.1 Duże stromości napięcia Nowoczesne półprzewodniki o dużej częstotliwości przełączania dają bardzo dobrą sprawność termiczną w układzie napędowym, ale skutkują bardzo dużymi stromościami napięcia du/dt na zaciskach silnika. Powoduje to powstawanie zakłóceń EMI, z którymi można sobie poradzić jedynie przez dokładne i staranne ekranowanie przewodów, oraz bezpośrednim oddziaływaniem na silnik. Strome impulsy na wyjściu falownika w połączeniu z długim przewodem silnikowym powoduje impulsy przepięciowe na silniku, które znacznie skracają żywotność izolacji uzwojeń silnika. Dodatkowo harmoniczne, które powstają w wyniku przełączania z dużą częstotliwością powodują dodatkowe straty magnetyczne w silniku który się grzeje. Standardowa izolacja uzwojeń silnika, która jest ponadto narażona na duże stromości napięcia, jej żywotność skraca się dwukrotnie na każde 10oC podwyższonej temperatury. Kolejnym problemem jest to, że przy prądach dużej częstotliwości spowodowanymi dużym du/dt są pojemnościowo sprzęgane przez pasożytnicze pojemności w obudowie silnika i płyną przez łożyska podgrzewając smar i niszcząc je. 14 Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe zagadnienia razem nasuwa się jeden wniosek – bezpośrednie podłączenie silnika do falownika znacznie skraca jego żywotność. Wszystkie te problemy w części lub całkowicie można zlikwidować przy użyciu dławików lub filtrów wyjściowych. 3.5.2 Hałas z silnika Ponieważ częstotliwość nośna i szerokie spektrum częstotliwości w większości falowników pokrywa zakres częstotliwości akustycznych dlatego możemy słyszeć dźwięki z pracującego silnika zasilanego z takiego falownika (wystarczy się przejechać nowoczesnym tramwajem by to usłyszeć). Zastosowanie dławika lub filtra wyjściowego pozwala na prawie całkowite zmniejszenie harmonicznych wyższych częstotliwości (11-ta i większe) oraz na znaczne zmniejszenie harmonicznych niższych rzędów (5-ta i 7-ma). Redukcja tych harmonicznych pozwala na wyciszenie akustyczne silnika o 3 do 6dB. 3.5.3 Zabezpieczenie przed zwarciem. W chwili wystąpienia zwarcia na silniku najczęściej uszkodzone są tranzystory VSD, pomimo że VSD mają wbudowane zabezpieczenia przed przeciążeniem, to prąd zwarciowy może być groźny i na tyle szybki, że uszkodzenie nastąpi zanim zadziała zabezpieczenie. Dławik lub filtr wyjściowy ogranicza prąd zwarciowy do bezpiecznej wartości i zmniejszy prędkość narastania prądu zwarciowego i chociaż silnik jest uszkodzony, to tranzystory falownika są bezpieczne. Zdjęcie 2 : Dławik RWK 212 oraz filtr wyjściowy FN 5010 firmy Schaffner 15 4 Inne zastosowania Powyższe rozważania koncentrowały się jedynie na układach napędowych z regulowaną prędkością obrotową VSD, ale nie jest to jedyny obszar zastosowań dławików. Znaleźć je można również w zasilaczach (impulsowe, przetwornice w UPS), urządzeniach oświetleniowych, prostownikach, spawarkach, zgrzewarkach, piecach łukowych itd. Wszędzie tam gdzie pojawiają się duże di/dt i du/dt z obciążenia mogą wracać do punktu podłączenia i powodować zakłócenia i problemy z niezawodnością, dławik może być pomocny. 4.1 Czy dławik może ograniczyć emisję RF? Można myśleć, że skoro dławik stanowi indukcyjność w obwodzie, zatem będzie skutecznie tłumił emisję RF tak jak harmoniczne. W niższym zakresie częstotliwości FW do kilkuset kHz rzeczywiście tłumi składowe symetryczne, ale ponieważ jest zoptymalizowany do pracy przy niższych częstotliwościach ma stosunkowo dużą pojemność własną co utrudnia skuteczne tłumienie częstotliwości RF. Sam dławik nie jest w stanie wytłumić wszystkich zaburzeń w paśmie RF do 30MHz i konieczny jest do tego filtr EMI. Stosowanie dławików ma jeszcze jedną mniej oczywistą zaletę. Filtr EMI musi być zawsze dobrany na maksymalny impuls prądu płynący w obwodzie a nie prąd RMS. Jak to zostało pokazane dławik redukuje ten impuls dzięki czemu można zastosować mniejszy filtr. Również zdolność filtru do tłumienia zakłóceń symetrycznych może być znacznie mniejsza, ponieważ instalacja dławika po części załatwia nam ten problem. Zdjęcie 3: Filtr FN 3400 oraz filtr EMI 16 4.2 Dławik sieciowy a transformator separujący Dawniej w układach VSD często potrzebne było obniżenie lub podwyższenie napięcia które realizowano za pomocą transformatora, który jednocześnie separował napęd od sieci. Była to kosztowna część całej inwestycji. Większość nowoczesnych napędów ma wewnętrzną izolację a silniki mają szerszy zakres napięć, więc potrzeba stosowania transformatora nie jest konieczna, co pozwoliło na redukcję kosztów. Indukcyjność transformatora zapewniała ochronę napędu przed zaburzeniami z sieci i na odwrót. Gdy nie stosuje się transformatora to należy zamiast niego zastosować element zabezpieczający którym jest dławik. Dławik sieciowy jest mniejszy i tańszy niż transformator separujący o podobnej mocy, najczęściej cztery razy tańszy i dziesięć razy mniejszy. Dławik zapewnia ochronę na granicy sieć-układ napędowy, ale nie zapewnia separacji galwanicznej ani zmiany poziomu napięć. 5 Podsumowanie – koszty i zyski Dostawca lub integrator systemu napędowego zawsze szuka najtańszych rozwiązań do stawianych wymagań. Z takiego punktu widzenia dławik sieciowy jest zawsze dodatkowym kosztem, ponieważ nie jest elementem koniecznym do działania układu. Jednak ten dodatkowy koszt jest zrekompensowany przez szereg zalet. • Zwiększenie niezawodności; przepięcia strony sieci są tłumione i istnieje mniejsze ryzyko uszkodzenia półprzewodników a ograniczenie impulsów prądowych zwiększa żywotność kondensatorów • Czasy postoju systemu są zredukowane, ponieważ przepięcia ze strony sieci trudniej wywołują niepożądane wyzwolenia. • Ochrona innych urządzeń w sieci z powodu ograniczenia emisji harmonicznych oraz komutacyjnych zapadów napięcia • Inne elementy systemu jak np. filtry mogą być tańsze • Starty w wyniku grzania się pod wpływem nadmiernej ilości harmonicznych są zmniejszone, co prowadzi do oszczędności w zużyciu energii. Dodatkowo zastosowanie filtru lub dławiku na wyjściu falownika skutkuje znacznym zwiększeniem niezawodności i żywotności silnika. Dławiki i filtry Schaffner są w stanie rozwiązać wszystkie problemy z którymi można się spotkać w nowoczesnych układach napędowych. 17
